Where the Robot Meets the Human – The Materials Science of Skin, Touch, and Protection
如何信任机器人的触碰?
这不是通过阅读安全规范或理解风险评估而产生的抽象信任。而是在机器人手与人手接触前的那一刻,人们所感受到的即时的、本能的信任——或缺乏信任。表面的质感。握力的松紧:既要足够牢固以保持抓握,又要足够温和以避免伤害。触碰你的物体是基于对人类皮肤期望的某种理解而设计的感觉。
这正是人形机器人正在接近的前沿领域。一旦这些机器从严格控制的制造环境进入医院、护理机构、家庭和公共场所,机器人与人类之间的物理界面就成为一个仅靠软件无法完全解决的设计问题。它需要合适的材料——一种在需要柔软时能够柔软、在需要耐用性时能够持久、并且在超越合规文件意义上安全的材料。
与此同时,每个在真实环境中运行的机器人都面临着第二个更隐蔽的挑战:保持运行状态。灰尘、湿气、机械振动和化学暴露在人形机器人工作的环境中是常态。那些密封关节、保护执行器和吸收冲击的组件——在多年运行中始终如一地发挥作用——很少出现在产品演示中。然而,它们代表了机器人工程师可以做出的一些最关键的设计决策。
科思创一直在为这两个挑战开发材料解决方案,应用于各种工业领域——从汽车柔软触感的表面到高要求机械中的精密密封。Desmopan® 热塑性聚氨酯 (TPU) 作为科思创成熟的高性能聚合物产品组合的一部分,正日益成为人形机器人设计师的首选材料,用于解决定义这些机器如何与人互动以及如何在真实环境中持久运行的表皮、抓握和保护层挑战。
与人类并肩工作的机器人必须赢得他们的信任——不仅是数字层面的信任,更是物理层面的信任。Desmopan® TPU 正是我们为建立这种信任所做的贡献:通过安全、耐用且专为人类接触而设计的表面。
是什么让机器人的表面赢得人类信任?
对于直接与人类互动的仿人机器人——传递物品、提供支持、在护理环境中运行——表面材料的生物相容性通常是规格要求,而非可选质量。科思创提供根据ISO 10993评估的Desmopan®等级,这是用于评估与人体接触材料的国际标准框架。
科思创的相关Desmopan®等级配方不含增塑剂。增塑剂迁移——添加化学物质从聚合物逐渐渗出到接触表面——是许多柔性材料的长期问题,特别是在持续皮肤接触应用中。无增塑剂配方意味着材料的性能特性及其安全性在机器人的整个使用寿命中保持稳定。这在以下环境中尤为重要:同一个机器人手既抓取工业部件,又处理食品、药品或个人护理用品——这些应用完全在目前正在开发的服务和护理仿人机器人的操作范围之内。
如果整个机器人表面都能像人类一样有触感会怎样?
抓取和触觉感应解决的是机器人手部的功能。仿人机器人中的表皮挑战将机器人手部的抓取和感应功能扩展到机器的整个外表面——车身盖板、关节、机器人在共享空间中被人们擦过、倚靠或随意接触的区域。对于在护理环境、公共场所或儿童身边运行的机器人来说,这些表面有着不同的要求:它们不仅需要让人感到安全,还要真正舒适。触感温暖。在意外接触时具有缓冲性。美观可信。这就是 TPU 产品组合中另外两种材料解决方案进入仿人机器人设计对话的地方:用于生产类皮革材料的 Desmopan® TPU 等级和用于热塑性缓冲的 Desmopan® AIR。
Desmopan® TPU 能够生产出表面质量和触感特性接近天然皮革温暖感和质地的合成皮革材料——而不会带来天然皮革在生产规模上引入的材料不一致性、维护要求或供应链复杂性。对于仿人机器人来说,这些基于 TPU 的皮革材料是外壳的合适解决方案:一种柔软且美观精致的表面层,同时又足够耐用,能够抵抗日常接触在活跃环境中带来的磨损和表面退化。该材料具有出色的耐刮擦和耐磨性能——这对于将被持续触摸和操作的表面来说是一项关键特性。纹理和颜色可以在广泛的美学范围内定制,为机器人设计师在机器如何被感知和接受方面提供了有意义的创意空间。
Desmopan® AIR 热塑性缓冲材料解决了外表皮下方的结构层问题——机器人刚性底盘与其表面层之间的界面,决定了接触力如何被吸收和分散。传统方法依赖于泡沫插件或回弹性有限的刚性外壳,而 Desmopan® AIR 使用三维打印或结构化的热塑性缓冲架构,可以针对特定的压缩和能量吸收特性进行调整。重量是一个核心优势:Desmopan® AIR 缓冲系统的开放结构以远低于实心替代品的密度实现了有效的力分散,有助于减少重量,直接有利于仿人机器人的功率预算、运动范围和动态性能。采用 Desmopan® AIR 技术,机器人外壳系统的生产得到简化且更安全,因为不需要发泡步骤。
基于 TPU 的合成皮革表皮材料和 Desmopan® AIR 缓冲基材的组合代表了仿人机器人身体的完整软壳系统——一个在集成架构中管理美学、触感质量、冲击吸收和重量的系统。这两种材料都可以根据其应用的机器人盖板或关节盖所需的特定几何形状和运动特性进行柔韧性和表面行为的定制。
对于仿人机器人设计师来说,实际意义在于从指尖到身体外壳的材料路径依托于一个连贯、兼容的产品组合,而不是多个供应商和材料化学成分的拼凑。
在科思创,我们致力于开发适用于人体接触的产品。通过 Desmopan® TPU,我们为设计师提供了一种多功能材料,能够实现正确的解决方案——并且足够耐用,可在一次又一次的交互中持续发挥作用。
如何在真实环境中保持精密部件的正常运行?
在演示中看起来表现出色的机器人在实际部署时却失败了,这通常不是因为人工智能或执行器的问题。它失败是因为某些部件让外部环境侵入了机器人内部——或者是因为本应被吸收的振动传递到了无法承受它的部件上。
在真实环境中运行的仿人机器人面临着精密机械通常需要被保护免受的各种条件。制造设施中的细小灰尘会渗入每一个缝隙。食品加工或医疗健康环境中使用的清洁剂对未经专门配方设计的材料具有腐蚀性。季节之间的温度变化会使机器人结构中的每种材料膨胀和收缩,反复对每个接口和密封件施加应力。而机器人自身的运动——关节和电机的驱动——会产生振动,如果不加以管理,这些振动会在结构中传播,成为加速磨损的来源。
科思创的Desmopan® TPU等级将热塑性加工性能与密封性能相结合,在制造效率和报废后考虑因素(如可回收性和可持续性)都是关键设计参数的应用中提供了解决方案。压缩永久变形——材料在持续压缩载荷下永久变形的趋势,它决定了密封件在其密封界面上保持接触压力的能力——是密封应用的主要规格,而精选的Desmopan®等级在环境条件下可实现非常低的压缩永久变形值。对油脂、齿轮润滑剂和液压油(仿人机器人关节系统中最常用的)的耐化学性是Desmopan®平台所基于的聚氨酯化学特性。
加工优势具有重要意义。注塑成型的TPU密封件可以在与机器人组件中其他热塑性部件相同的制造基础设施中生产。它们可以直接过模注塑到聚酰胺和聚碳酸酯关节外壳上,无需粘合剂,形成牢固的结合,成为零件的组成部分,而不是事后添加的装配步骤。其结果是一种生产步骤更少的密封解决方案,以及一个自然融入仿人机器人更广泛聚合物供应链的制造工艺。
对于动力单元和机器人自身运动的振动管理,Desmopan®因其固有的阻尼特性而非常适合。此外,科思创的发泡Desmopan®等级扩展了密封和减振应用的可能性范围。发泡TPU实现了更低的密度,减少了阻尼元件在结构中的重量贡献——在这种结构中,重量直接影响功耗和动态性能——同时保持了有效振动吸收所需的弹性恢复和压缩行为。Desmopan®的动态模量可以通过材料等级选择进行调整,为设计师提供了一个可控参数,用于将阻尼行为与被保护关节或部件的特定频率特性相匹配,从而扩大了设计自由度。
当机器人达到使用寿命时,这些材料会怎样?
今天在产品设计中做出的材料选择决定了未来终端产品的可回收性特征。对于在生产者延伸职责框架下运营或致力于循环经济目标的仿人机器人原始设备制造商而言,Desmopan®-TPU 的热塑性特性从设计的最早阶段就是一个相关属性。
热塑性材料可以在使用寿命结束时重新加工并返回到材料流中,而热固性材料则无法以同样的方式重新加工。今天用 Desmopan®-TPU 指定的密封、减震和柔软触感表面组件,将在机器人达到使用寿命时成为可回收的组件——这一特性在材料选择决策的价值计算中日益成为重要部分,而非次要考虑因素。
未来几年投入使用的仿人机器人不仅将根据它们能做什么来评估,还将根据它们如何做来评估——它们与人的互动有多安全、它们在真实环境中的表现有多可靠,以及它们在整个运营生命周期中的设计有多负责任。它们表面和关节内部的材料不是次要决策。它们是工程规范与人类体验相遇的交汇点。
